步进电机应用技巧.pdf

ELECTRONICS WORLD 探索与观察 步进电机应用技巧 航宇救生装备有限公司机动部 崔 巍 航宇救生装备有限公司技改部 孔雪峰 摘要 本文介绍了步进电机在选择 控制方面的应用技巧 关键词 步进电机 脉冲 控制 步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的电磁装置 它具 有以下特点 具有较好的定位精度 无漂移和无累积定位误差 能跟踪 一定频率范围的脉冲列 成本低 其价格往往是相近规格伺服驱动系统 价格的一半甚至更低 因而步进电机驱动系统在各种小型自动化设备及 仪器方面应用广泛 主要应用于要求不高的定位及调速控制的场合 1 步进电机矩频特性对其应用的影响 矩频特性是用来描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连 续运行频率之间的关系曲线 矩频特性是步进电机最重要的特性之 一 是选择步进电机的重要依据 如图1所示 为某品牌步进电机 的矩频特性曲线 图1 步进电机矩频特性曲线 1 从矩频特性曲线看 步进电机运行达到一定转速后 电 机输出转矩会迅速下降 这个特点决定了步进电机只适合于低 中 速的应用场合 实际选择步进电机时 首先根据负载情况确定电机 所需转速和扭矩 再结合电机矩频特性进行选择 如果转速需求较 低 可配置合适速比的减速器以放大输出转矩 2 注意启动频率对步进电机启动的影响 一般的步进电机 驱动器功能比较简单 没有加减速时间设置等功能 此时就需要对 驱动脉冲列上升速率进行限制 比如用PLC脉冲输出端口控制步进 电机运行时 在PLC程序设计时就要注意脉冲输出指令的加速时间 设置 以防止加速时间过短导致步进电机启动困难 3 驱动器驱动电压 细分数以及电机接线方式对步进电机 输出转矩有影响 但影响效果有限 2 驱动系统上位控制装置选择 步进电机驱动系统包括步进电机及其驱动器 驱动器接收上位 控制装置的指令驱动电机运转 同时可以将状态信息反馈给控制装 置 图2是典型的步进电机驱动系统框图 根据应用场合 上位控制装置可以选择PLC 步进电机控制器 或运动控制卡 图2 步进电机驱动系统框图 1 在具体应用中 尽量选用PLC作为上位控制装置 因为 PLC除了能控制步进电机外 还能完成顺序控制及更复杂的控制 其成本也不高 PLC能独立控制的电机数量有限 一般为2台 某 些PLC专门用于位置控制 可以独立控制多达6台电机 最高输出 频率可达200KHz 2 步进电机控制器作为上位控制装置 能控制较多数量的 步进电机 应用较为灵活 但不具备PLC所具有的其它控制功能 3 在较复杂的应用场合 比如需要多轴插补时 则需要选 择运动控制卡 运动控制卡必须在计算机环境中使用 成本较高 3 步进电机控制 绝大多数步进电机驱动器只具有一种指令控制方式 即脉冲控 制方式 上位控制装置产生一定频率和数量的脉冲列 步进电机驱 动器接收到脉冲之后 驱动电机运转 1 驱动器一般可接收的脉冲形式有三种 一是两相正交脉 冲 二是脉冲加方向 三是ccw脉冲和cw脉冲 实际应用中多采用 脉冲加方向的形式 2 上位控制装置一般具有两种脉冲输出接口 一种是差分输 出 抗干扰能力强 当需要远距离传输脉冲信号时 须采用此种输出接 口 另一种是单端晶体管输出 大部分应用场合采用这种接口即可 3 PLC差分输出接口的电压一般为 5VDC 可以直接与驱 动器的脉冲输入接口相连 但当采用单端晶体管输出接口时 由于 其电压一般为 24VDC 与驱动器脉冲输入接口相连时 需要串接 电阻用于限制驱动电流 电阻阻值的大小由驱动器决定 一般为 1 2K 也有一些驱动器在设计时考虑了兼容性 可通过开关切换 以适应不同驱动电压 4 有些步进电机驱动器还具有通讯控制接口 这样上位控 制装置可以通过通讯接口进行控制 4 其它应用技巧 1 在实际应用中需要控制多台步进电机以相同的速度同时 运转时 可以利用控制装置的一路脉冲输出接口控制多台驱动器 笔者曾利用台达PLC的一路接口同时控制四台步进电机同时运行 效果良好 但要注意的是 在设计时需要核算驱动电流 总的驱动 电流不能超过输出接口的额定电流 2 步进电机驱动器在功率较小时 一般外接直流电源 实 际应用时最好使用线性电源 而不要选择开关电源 3 上位控制装置与驱动器的距离尽可能近 脉冲信号连接导 线一定要使用双绞线 最好带屏蔽 屏蔽层良好接地 当采用单端驱 动方式时 尤其要注意 因为单端驱动方式抗干扰能力弱 步进电机 使用的环境往往有各种电磁干扰 比如变频器干扰等 干扰可能会 导致脉冲信号紊乱 丢失 严重时步进电机会无规律自转 5 结束语 本文根据应用实践 总结并详细阐述了步进电机驱动系统设计 时的一些技巧 希望对相关设计人员有所帮助 参考文献 1 雷塞步进电机使用说明书 S 2 雷塞步进电机驱动器使用说明书 S 作者简介 崔巍 男 高级工程师 主要从事电气技术工作 孔雪峰 男 高级工程师 主要从事非标设备研制 数控维修 技术方面的工作